492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

К счастью, существуют технологии, извлекающие пользу из некоторых недостатков, в частности из эффекта многолучевого отражения. Одна из них предполагает применение многоантенных систем (рис. 1.1). Работа таких систем базируется на механизме пространственно-временной (STP – Space Time Processing) обработке сигналов [1 5]. В данном контексте под STP понимается адаптивная обработка сигналов системой, состоящей из нескольких антенных элементов, с использованием особенностей как пространственной, так и временной областей радиоканала. Вплоть до недавнего времени почти все разработки в области STP относились к базовым станциям или точкам доступа, но не к мобильным наладонным устройствам. Это происходило вследствие недостаточной вычислительной мощности для реализации STP-алгоритмов и малой емкости батарей у последних. Однако прогресс не стоит на месте, и сегодня эти технологии уже доступны и для них.

h11

h12

				h1n
				T
				h h21
	x1		22				r1
				h2n
	x2						r2
				T
	xn						rnR
	T

hnR 2 hnR1

hnRnT

Рис. 1.1. Блок схема системы MIMO

Техника STP может применяться на передающем, приемном или на обоих концах канала. В первых двух случаях говорят о технологии интеллектуальных антенн (Smart Antenna). Если система использует интеллектуальные антенны на передающем конце канала, то ее называют Multiple Input Single Output (MISO),

если на приемном – Single Input Multiple Output (SIMO).

Большинство традиционных систем на базе интеллектуальных антенн используют концепцию, известную как формирование диаграммы направленности. Узкая диаграмма направленности позволяет сфокусировать энергию сигнала в определенном направлении (обычно навстречу приемному устройству), что уве-

11

личивает отношение сигнал/шум. При узком антенном луче уменьшаются также помехи, улучшается отношение сигнал/помеха и, таким образом, повышается эффективность использования спектра.

Другие схемы, применяющие интеллектуальные антенны, улучшают качество канала за счет коэффициента усиления при приеме на разнесенные антенны. При многолучевом распространении сигнала уровень принимаемой мощности является случайной функцией, зависящей от местоположения пользователя, времени и текущего замирания сигнала. При использовании антенного массива вероятность потери сигнала всеми антеннами уменьшается экспоненциально с увеличением числа некоррелированных сигналов (или антенн). Схема разнесения в современных беспроводных сетях с системами MISO и SIMO использует простую коммутацию, чтобы выбрать (из двух) антенну с наивысшим отношением сигнал/шум.

Как следует из вышесказанного, в системах на базе интеллектуальных антенн (MISO и SIMO) скорость передачи данных не увеличивается, а улучшается только качество канала. Для того чтобы повысить пропускную способность канала, необходимо применять STP (антенные массивы) как на передающем, так и на приемном его концах. Именно такие системы и называются MIMO. Заметим, что концепция MIMO была использована еще в начале 90-х в разработке Bell Labs,

которая называлась BLAST – Bell Labs Layered Space-Time [6, 7].

В среде с многолучевым замиранием передаваемый сигнал, прежде чем достигнет приемника, рассеивается на различных объектах, таких, как стены, здания, деревья, горы. Этот, казалось бы, негативный эффект и применяется в системах MIMO для увеличения емкости канала. Система с M передающими и M принимающими антеннами способна обеспечить пиковую пропускную способность теоретически в M раз большую, чем обычные системы Single Input Single Output (SISO). Это достигается за счет того, что передатчик разбивает поток данных на независимые последовательности битов и пересылает их одновременно, используя массив антенн. Такая техника называется пространственным мультиплексированием.

Сигналы, естественно, смешиваются в канале, поскольку генерируются в одном диапазоне частот. Поэтому антенны передатчика и приемника должны быть достаточно далеко разнесены в пространстве и/или излучать поляризованную волну для того, чтобы образовать независимые пути распространения. "Достаточно далеко" определяется углом распространения лучей, испускаемых или принимаемых антеннами. Так, например, если многолучевые сигналы поступают со всех азимутальных направлений, то расстояния 0,4 – 0,6 вполне достаточно для приема независимо замирающих лучей. В общем, чем меньше угол распространения, тем дистанция между антеннами должна быть больше.

12

Как уже упоминалось выше, при передаче в одном частотном диапазоне каждая принимающая антенна "видит" все сигналы одновременно. Однако если многолучевое рассеяние достаточно велико, то подпотоки, передаваемые разными антеннами, рассеиваются несколько по-разному, поскольку последние разнесены в пространстве.

Приемник, располагая после обработки настроечной последовательности необходимой информацией о каждом подканале, восстанавливает из отдельных подпотоков первоначальный поток данных.

В области мобильной связи и беспроводных сетей технология MIMO существует не только на бумаге. Кроме уже упомянутой разработки BLAST от Bell Labs, американская компания Airgo Networks планирует начать поставки чипа AGN100RF для трехантенных систем семейства 802.11, которые позволят удвоить их пропускную способность. Наибольшая трудность сегодня состоит в том, как сделать технологию MIMO доступной. Для этого стоимость и алгоритмов обработки сигналов, и радиокомпонентов должна быть в разумных пределах. Здесь надежды возлагаются на интегрированные решения на базе кремниевых приборов следующего поколения [8, 9].

1.1.2Описание технологии MIMO

Хотя на данный момент коммерческая ценность технологий пространственной обработки сигналов еще только изучается, а в самой трактовке принципов MIMO достаточно спорных моментов, тем не менее, выпуск серийных продуктов знаменует новую веху в развитии бытовых беспроводных устройств.

Как показывает практика, на сегодняшний день все основные резервы для повышения качественных показателей WLAN-связи уже исчерпаны. И практически всем разработчикам и производителям оборудования для беспроводных сетей становится понятно: вместо использования традиционных стандартных принципов повышения эффективности обмена в сети (сравнимых разве что с эффективностью коврового бомбометания при охоте на мелкую дичь) следует направить свои усилия на реализацию новых принципов организации радиообмена (т. е. пора браться за снайперскую винтовку).

Как правило, в любом технологическом начинании этапу, когда все становится на свои места, предшествует период утряски, сопровождающийся рождением более-менее конкретных документов, стандартизирующих новшество или хотя бы описывающих основные моменты внедрения технологии в рекомендательной форме. В отношении технологии MIMO, предполагающей использование двух и более антенн для обмена данными в беспроводных сетях, этот процесс затянулся. В Интернете появляются очередные сообщения о выпуске нового чипсета или

13

беспроводного MIMO-комплекта, однако, для большинства потенциальных потребителей остается малопонятным то, какие в нем реализованы принципы. Но интерес к тому, насколько перспективным окажется избранный производителем подход, в чем выигрыш от применения подобных устройств в сравнении с обычными (стандарта 802.11a/b/g) и, наконец, насколько выгодна их покупка уже сегодня, очень большой [10, 11].

Такая ситуация является отголоском длинного ряда событий и обстоятельств, среди которых одно из главных мест занимает продолжающаяся дискуссия между двумя рабочими группами, TGn Sync и WWiSE (World-Wide Spectrum Efficiency).

Обе выступают за принятие именно своей версии нового высокоскоростного стандарта 802.11n. Причем высказывания о несомненной необходимости использования предмета сегодняшнего разговора – технологии MIMO – звучат с обеих сторон.

1.1.2.1 Способы повышения производительности обмена данными по радиолиниям

Расширение занимаемой полосы частот

Известно, что расширение полосы частот при сохранении всех остальных параметров системы позволяет практически линейно увеличить производительность радиолинии. В рассматриваемом диапазоне 2,5 ГГц полоса частот, отведенных под Wi-Fi, допускает ее кооперативное использование одновременно несколькими (как минимум тремя) сетями, расположенными в непосредственной близости, и ее пересмотр в сторону дальнейшего расширения не предполагается. Внутри выделенной полосы попытки удвоить занимаемый частотный ресурс (в типовом варианте он немногим больше трети от выделенной полосы частот) предпринимаются множеством производителей чипов. Вопрос о необходимости и целесообразности удвоения ширины каналов, занимаемых при радиообмене одной парой (сетью), стал, как известно, камнем преткновения в процессе принятия стандарта высокоскоростных сетей 802.11n.

Повышение спектральной эффективности

Данная характеристика определяется количеством битов в секунду, приходящихся на 1 Гц занимаемой каналом полосы частот, и зависит от выбора тех или иных методов модуляции, алгоритмов кодирования и коррекции ошибок, а также эффективности общих (служебных) алгоритмов более высокого уровня, обеспечивающих организацию взаимодействия устройств в рамках одной сети и возможность бесконфликтной работы с радиосредствами других сетей.

Здесь придется сделать небольшое отступление, посвященное помехоустойчивому кодированию. Важный практический вывод из работ Шеннона состоит в том, что если скорость передачи информации меньше пропускной способности

14

канала, то с использованием кодов, исправляющих ошибки, теоретически можно создать систему связи со сколь угодно малой вероятностью ошибки на выходе декодера канала. При этом, чем проще алгоритм корректирующего кодирования (при сохранении тех же пропускной способности и вероятности ошибки), тем более сложной, дорогой и энергоемкой будет система.

Выводы:

система, не имеющая корректирующего кодирования, крайне неэффективна и работоспособна при условии отсутствия ошибок;

эффективная система должна уметь функционировать в режиме с достаточно высокой частотой ошибок в потоке на входе декодера, а сам декодированный поток – иметь крайне малую вероятность ошибки на бит.

Положительным эффектом помехоустойчивого кодирования является либо снижение вероятности ошибки, либо уменьшение мощности передачи при той же вероятности ошибки, либо и то и другое. Таким образом, кодирование расширяет возможности компромисса между полосой и энергетикой канала, присущего любой системе связи. Вычислительная мощность процессоров постоянно растет, а цены на них падают. Здесь речь идет о бытовых устройствах, где к процессору, отвечающему за выполнение этих функций, кроме технических (производительность обработки сигналов в реальном масштабе времени) выдвигаются еще и крайне жесткие экономические (рыночные) требования.

Энергетическая эффективность

В наиболее простом случае, говоря об энергетической эффективности, мы подразумеваем три фактора: увеличение мощности передатчика, повышение чувствительности приемника, меры по оптимизации трассы, в частности минимизацию ослабления сигнала на пути его распространения.

Понятно, проблема повышения отношения сигнал/шум (SNR – Signal Noise Ratio) не решится простым увеличением мощности точек доступа. Лимит повышения чувствительности приемника объясняется достаточно высоким уровнем помех, источником которых являются не только биения между мощными передающими средствами, работающими в других диапазонах частот, но и удаленные сети своего же стандарта, «не подозревающие» о том, что они мешают другим, общаясь между собой «на повышенных тонах». В защиту последних заметим, что алгоритмы адаптивного снижения мощности (как это происходит, например, при взаимодействии клиента и базовой станции в сетях CDMA) в стандартах серии 802.11 не определены.

Из теории также следует, что можно увеличить количество неинтерферирующих между собой работающих средств, используя еще один прием – поляризационную развязку. Поляризация является характеристикой прохождения электро-

15

магнитных волн. Она бывает двух типов: линейной (типичной для применения в системах Wi-Fi) и круговой. Каждый из них имеет две возможные ориентации: правосторонняя или левосторонняя для круговой, вертикальная или горизонтальная для линейной поляризации. Известно, что для правильного функционирования линии связи антенны на двух ее концах должны использовать одинаковый тип и аналогичную ориентацию поляризации. Определить практически, в какой плоскости ведется радиообмен в конкретной системе, несложно: она совпадает с плоскостью, в которой находится вибратор внешней антенны.

В данном случае интерес представляет ситуация, когда одна пара устройств работает на антенны с горизонтальной поляризацией, а другая пара – с вертикальной и при этом они не мешают друг другу. Однако практика показывает, что данный способ в условиях множественных переотражений и отсутствия прямой видимости неэффективен: по мере продвижения от источника к получателю плоскость поляризации может изменяться, и излученная посылка с вертикальной поляризацией придет к получателю как волны с ориентацией, близкой к горизонтальной, и наоборот. Таким образом, данный прием сам по себе не обеспечивает повторного пространственного использования (не позволяет сформировать дополнительный неинтерферирующий канал на тех же частотах) и может быть применен только как вспомогательный.

Предпосылки появления MIMO

Утверждения о близости некоторого технологического тупика в развитии беспроводных сетей основаны на анализе потенциальных возможностей цифровых методов модуляции и схем канального кодирования, а также на оценке проблем, связанных с наращиванием мощности передачи и чувствительности приемников.

В общих чертах традиционные способы повышения производительности радиолинии обозначены. На сегодняшний день в большинстве беспроводных систем сигнал со стороны передатчика излучается одной антенной и одной антенной принимается в пункте своего назначения – аналогично тому, как телевизор или радиоприемник взаимодействуют со станцией вещания.

Здесь уместно вспомнить классическую трактовку основной формулы Шеннона

C Blog2 1 SNR ,

(1.1)

где С – теоретический предел пропускной способности канала; B – занимаемая им полоса частот; SNR – соотношение между сигналом и шумом.

16

При взгляде на нее ответ на вопрос: «Как быстрее передавать/принимать?» – уже не кажется столь очевидным. В особенности, когда специалисты все чаще предлагают трансформировать его в форму: «Куда направить энергию и каким образом обеспечить оптимальный прием?» Тем самым поясняется, что в некоторой двумерной плоскости анализа частотно-временных параметров добавляется еще одна «степень свободы», позволяющая по-новому взглянуть на возможности повышения качественных показателей WLAN, переведя тематику на пространственные свойства радиообмена.

Базовой предпосылкой для такого перехода является тот факт, что отдельные сигналы в определенный момент времени можно идентифицировать не только по частоте, но и по их направленности. Это приводит к тому, что уже несколько лет связывались с достижениями антенной техники и непосредственно с «интеллектуальными антеннами» и аббревиатурой MIMO.

1.1.2.2 «Множественные антенны», фазированные и цифровые антенные решетки

Упоминающиеся по тексту принципы пространственной обработки и их техническое воплощение (различного рода интеллектуальные многоканальные антенные системы) не новы. Наиболее интеллектуальное воплощение связано с понятием цифровой антенной решетки (ЦАР) – антенной системы, представляющей собой совокупность аналого-цифровых каналов с общим фазовым центром, в которой диаграмма направленности формируется в цифровом виде, без фазовращателей [4, 12, 13].

Теоретические основы ЦАР были разработаны еще в конце 60-х – начале 70-х годов, но состояние технологий не позволяло в полном объеме просто

идешево реализовать их. Поэтому возможность достижения достаточно высокой эффективности антенных решеток была доказана в тех применениях, где огромные затраты отходят на второй план в сравнении с обеспечением безопасности государства – в технологическую гонку включились «оборонки» сразу нескольких стран, создавая исключительные по своим параметрам мелкосерийные радиоустройства. Некоторые из них разрабатывались как эффективное средство филигранной постановки узконаправленных помех с минимальными энергетическими затратами. Но первоочередной задачей было создание радиолокаторов, где кило- и

мегаваттных мощностей, сконцентрированных в узкие, но неповоротливые лучи при чувствительности на прием порядка 10-10 Вт, не всегда хватало для того, чтобы обеспечить требуемую дальность действия, скорость обзора и, главное, – обзор

исопровождение в реальном времени одновременно нескольких целей, а также эффективное подавление помех с разных направлений без физического поворота элементов конструкции антенны.

17

MIMO и Smart Antenna Array

Пользуясь тем, что термин «MIMO» на данный момент еще не канонизирован (впрочем, как и не определена минимальная степень интеллектуальности для систем Smart Antenna), необходимо использовать не маркетинговые толкования, а те, которые даются в научной литературе.

Под «Smart Antenna» (с англ. – интеллектуальная антенная система) понимают комбинацию из множества базовых антенных элементов в совокупности со средствами обработки сигналов, способными автоматически менять свои характеристики с целью оптимизации излучения и/или приема полезного сигнала

[4, 8, 11, 13].

MIMO – это любая технология, которая основывается на использовании многоканальных антенных систем в устройствах по обеим сторонам радиолинии. Соответственно, сочетание разнообразных способов передачи и приема, в которых задействуются несколько передающих и приемных антенн, может быть определено как MIMO-метод.

С некоторыми оговорками к MIMO можно относить не только те сети, где взаимодействует несколько однотипных (по пространственному или канальному принципу) устройств, но и те, где пространственная обработка возлагается на одну из сторон, причем в интересах нескольких пользователей, что повышает в ней суммарную производительность системы обмена в целом: одновременно в том же частотном диапазоне происходит обмен в N раз бóльшим объемом информации.

Однако рассматривая каждую	из взаимодействующих пар по отдельности,
в отношении составляющих ее	устройств все же корректнее будет говорить

о проявлениях топологий SIMO (Single Input Multiple Output) и MISO (Multiple Input Single Output).

В качестве пограничного примера можно привести принцип работы телевизора с режимом картинка-в-картинке (PIP – Picture-in-Picture). Даже если в таком телевизоре есть несколько приемных трактов, позволяющих одновременно выводить на экран сигнал от нескольких каналов, то зритель (рассматриваемый в данном случае как конечный получатель информации) вряд ли сможет воспринимать одновременно оба канала с одинаковым вниманием. Таким образом, подобная система не может быть отнесена к многоканальной [9].

Коммуникационные технологии, базирующиеся на архитектуре множественных входов/множественных выходов и определяемые как MIMO, несомненно, на сегодня одно из самых важных направлений в области высокоскоростных беспроводных коммуникаций. Внешним признаком их практической реализации является использование нескольких передающих и приемных антенн, внутренним (гораздо более дорогостоящим) – наличие нескольких практически автономных приемников и передатчиков, а также существенно более сложной «математики»

18

для цифровой обработки сигнала, т. е. процессора устройства, требования к вычислительной мощности которого увеличиваются практически экспоненциально

взависимости от роста числа каналов.

1.1.2.3Модели пространственного взаимодействия

Реализацию множественного доступа с использованием пространственных механизмов можно представить как создание определённого количества независимых узконаправленных интерферирующих между собой радиолиний, под каждую из которых жёстко отсекается очень малая часть окружающего пространства

(рис. 1.2).

Аб2

Аб1

Рис. 1.2. Множественный доступ с пространственным разделением

Первая модель заключается в пространственном разделении потоков по направлениям с целью персонализации канала обмена и предполагает использование принципов адаптивного цифрового диаграммообразования. Интеллект системы проявляется в динамической оптимизации обслуживаемой зоны покрытия с оперативным перенацеливанием приемопередающих лучей. Взаимодействие передающих и приемных устройств предполагает создание определенного количества независимых узконаправленных неинтерферирующих между собой радиолиний, под каждую из которых жестко отсекается очень малая часть окружающего пространства (рис. 1.2).

19

Основной выигрыш в данной модели достигается за счет возможности обеспечения радиообмена одновременно по нескольким направлениям без расширения занимаемой полосы частот, что повышает энергию радиообмена преимущественно вдоль линии, соединяющей приемник и передатчик. В существующих сотовых сетях этот прием давно позволяет увеличить эффективность использовании одной и той же полосы частот для организации нескольких каналов связи с мобильными терминалами. В ряде случаев достичь желаемых результатов можно с помощью новых технологических приемов, используя их в качестве надстройки над базовой архитектурой сети только с одной стороны радиолинии и практически ничего не меняя на канальном уровне.

Возможная область применения простирается от радиолокационных, сотовых и масштабных наружных беспроводных систем до внутриофисных комплектов.

Надо заметить, что практические условия радиообмена во WLAN существенно отличаются от тех, что наблюдаются в двухточечной схеме обмена. Никто не собирается размещать устройства на высоких мачтах (подобных радиорелейной паре) для обеспечения наиболее благоприятных условий, а условия прямой видимости, не осложненные множественными отражениями (особенно внутри помещения), – большая редкость. В конце концов, и само местоположение каждого из клиентов может быть известно только апостериори, т. е. только после того, как он «изъявит желание» стать новым элементом сети. Кроме того, никакой элемент беспроводной сети не способен (да и не должен) предупреждать остальных, что выделенные ему канальные сетевые ресурсы не понадобятся и могут быть перераспределены между другими ее членами. Значит, во WLAN не обойтись лишь интеллектуальными антенными системами с высоким коэффициентом направленного действия – необходимо реализовать ряд дополнительных алгоритмов, позволяющих всем взаимодействующим радиосредствам одновременно с работой в персонализированном канале обмена «слушать» вокруг себя во всех направлениях и периодически достаточно громко «предупреждать чужаков», что частотный, пространственный и временной ресурсы ими заняты.

К ограничениям следует также отнести экспоненциальный характер роста вычислительной производительности, требуемой для обработки сигналов в антенной решетке в зависимости от числа элементов и количества одновременно обрабатываемых каналов.

Другое направление, исследующее пути улучшения характеристик радиоли-

нии, базируется на принципах пространственного мультиплексирования. Техно-

логия может быть реализована как в интересах увеличения пропускной способности взаимодействующих пар, так и для увеличения отношения сигнал/шум и снижения вероятности возникновения ошибок (BER) в тракте обмена. Провести четкую границу между методами (равно как и разграничить, где в основном применяются «интеллектуальные антенны», а где выигрыш обусловливается другими

20